專利名稱：一種新型含氮奧氏體耐熱鋼的制作方法
技術領域：
本發明涉及合金鋼中的奧氏體耐熱鋼，特別是一種新型含氮奧氏體耐熱鋼，適用于制作在高溫工作條件下的各種耐熱構件。
背景技術：
奧氏體型耐熱鋼通常以Cr-Ni作為主要合金元素，其中Ni作為擴大奧氏體區的主要元素經常被大量的加入鋼中以保證在常溫下得到奧氏體組織。例如行業中使用的 20Cr25Ni20 鋼、06Cr25Ni20 鋼、16Cr25Ni20Si2 鋼的 Ni 含量均在 20%左右。查有關這方面的中國專利，如“奧氏體耐熱鋼”(公開號CN1095425A)公開了一種適用于高溫熱腐蝕環境下和惡劣的滲碳條件下的奧氏體型耐熱鋼。其化學成分中的Cr為 18 28%，Ni為29 38%，使用溫度在900 1150°C。“高硅奧氏體耐熱鋼”(公開號CN 1052906A)公開了一種以高Si和Cr-Ni為主的具有高溫抗氧化性、抗滲碳性、良好常高溫力學性能和耐熱疲勞性的奧氏體型耐熱鋼。由于添加5. 01 8. 59%的高含量Si，其Cr、Ni含量均有所降低，分別為16 20%和14 22%，使用溫度在900 1200 0C ο“高鋁奧氏體耐熱鋼”(公開號CN 1179477A)公開了一種以高Al和Cr-Ni為主的具有綜合力學性能好、抗氧化、尤其是抗硫腐蝕等特點的奧氏體型耐熱鋼。由于添加3. 0 7. 0%的高含量Al，其Cr、Ni含量均有所降低，分別為17 25%和20 30%，使用溫度在 1000°C 以下。“一種Cr-M系奧氏體耐熱鋼彈簧及其冷拔鋼絲的制備方法”(公開號CN 101642782A)公開了一種Cr-Ni系奧氏體耐熱鋼彈簧及其冷拔鋼絲的制備方法。其中Cr、 Ni含量分別為14. 0 16. 0%和25. 0 28. 0%，使用溫度在600°C以下。“一種高Cr高Ni奧氏體系耐熱鑄鋼及由其構成的排氣系統零件”(公開號CN 1942598A)公開了一種高Cr高Ni用于排氣系統零件的奧氏體耐熱鑄鋼。其中Cr、Ni含量分別為15 30%和6 30%，并含有0.05 0.4%的N，使用溫度在1000°C以上。但此發明中Nb含量相對較高0. 5 5%，過多的Nb含量會導致晶界上的共晶碳化物增多，從而降低其強度和延展性，并使其脆化。針對上述對于奧氏體耐熱鋼由于加入Ni等元素所帶來的問題，目前有些專家提出采用氮代替Ni生產奧氏體耐熱鋼的觀念，例如“YU S701奧氏體不銹鋼RO F內罩的脆斷特征及脆化機理”(武漢交通科技大學學報24(6))報道一種含氮奧氏體耐熱鋼。日本鋼號為25Cr-13Ni-2Si-0. 8Mo_0. 25N，使用溫度達到1200°C，室溫抗拉強度690MPa以上。但由于在高溫使用狀態下，奧氏體容易長大，這種鋼的使用壽命還有待提高。綜上所述，現有技術奧氏體型耐熱鋼中的合金含量相對較高，導致制造成本上升。 高溫使用壽命相對較短，使用成本增加。

發明內容
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針對上述現有技術存在的問題，本發明公開一種合金含量低、使用壽命更長的含氮奧氏體型耐熱鋼，在添加N元素從而降低Ni元素的基礎上，還引入了新的合金元素Ti、 Nb以使得新型含氮耐熱鋼產品具有高強度、高塑性，高使用壽命，使用溫度1300°C以上的特點，為了達到上述目的，本發明的主要成分由C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、N元素所組成，其化學成分的重量百分比為c 0. 08% 0. 15% ;Sil. 5% 3. 0% ；Mn 1. 0% 2. 0% ；P 0. 001% 0. 035% ；S 0. 0005% 0. 005% ；Cr 20% 24% ；Ni 11% 13% ；Mo
0.5% 0. 7% ；Nb 0. 01% 0. 05% ；Ti 0. 01% 0. 03% ；N 0. 2% 0. 4%，其余為 Fe 和雜質。本發明中合金元素(、3丨、] 11、？、5、0、慰、]\10、恥、1^限定量的理由詳述如下C在鋼中形成碳化物，有利于高溫強度。此外，它還作為一種奧氏體形成元素，抑制δ鐵素體的形成。因此，C的含量必須至少0.08%。然而，其過量加入增大了焊接熱影響區的硬度，并增大對焊縫金屬冷裂的敏感性和對焊后再加熱開裂的敏感性。此外，高C含量的鋼在高溫下長期使用時變脆。因此，C含量的上限為0. 15%，優選為0. 12%Si在鋼的制造中作為脫氧元素，對于改善鋼的抗氧化性能和耐高溫腐蝕性也是有效的。然而，它也導致在高溫長期使用過程中鋼的韌性降低。因此，Si含量的上限為3.0%， 優選為2%。其下限可以是不可避免的雜質量的水平，但是為了保證脫氧效果，優選為至少
1.5%。Mn與Si相同，在鋼的制造時加入其進行脫氧。然而，如果加入太多，它會導致在高溫長期使用過程中強度的降低和韌性下降，因此，Mn含量最多2%，優選為1. 5%。P在鋼中作為不可避免的雜質存在，如果其含量高，那么產生焊接再加熱開裂。因此，所述P含量最多0. 035%。P含量優選盡可能低，所以對其沒有特別的下限，但是過分降低所述P含量導致制造成本增加大，所以從實際觀點來看，其下限一般為0. 001%。S與P—樣，S在鋼中作為不可避免的雜質存在。如果其含量高，那么它產生焊接再加熱開裂。因此，所述S含量最多0.005%。S的含量優選盡可能低，但是與P的情況一樣，過分降低所述S含量導致制造成本增大，所以從精煉成本的觀點來看，其下限一般為 0. 0005%。N是強烈的奧氏體形成和穩定化元素，在奧氏體耐熱鋼中利用N來部分取取代貴金屬附，可以更加穩定奧氏體組織，在顯著提高耐熱鋼強度的同時不損害其延性。本發明從綜合效果考濾，N含量取值為0. 2% 0. 4%。Cr是為了保證高溫抗氧化性、高溫耐腐蝕性和高溫強度必不可少的。然而其過量添加導致碳化物的粗化，最終引起高溫強度的降低以及韌性的降低。由于這些原因，Cr含量為20% 24%。Ni是一種奧氏體形成元素，它抑制δ鐵素體的形成，并且它保證組織的穩定性， 所以加入Ni。在加入Ni時，其含量最少11%。然而Ni的過量添加降低在高溫使用過程中的延展性，所以Ni含量的上限為13%。Mo增大鋼基體的固溶強度，它以碳化物形式析出來增大蠕變強度。此外，它對P有強親和性，它降低在晶界處偏析P的量，所以它有利于焊接再加熱開裂敏感性的降低。為了獲得這些作用，有必要使其含量至少為0. 5%。然而，其過量添加使得在長期使用后韌性降
4低，所以其上限為0.7%。Nb與C和N結合形成Nb (C、N)，有利于沉淀彌散強化。但Nb添加量不足0. 01 %時， 析出的密度低，不能得到相應的效果，反之超過0. 50%時，容易生成未固溶的粗大Nb(C、 N)，延性和韌性降低。此外，在此耐熱鋼使用過程中，由于熱循環的作用，奧氏體晶粒長大， 位錯密度降低，鋼的強度下降，而Nb(C、N)的存在，使鋼在1150°C以下使用過程中奧氏體長大變慢，位錯反應速度降低，鋼的強度降低速度變慢，使用壽命明顯提高。Ti對于降低焊接再加熱開裂的敏感性是必不可少的。Ti與N結合形成TiN，從而降低游離N的含量，游離N降低在焊接熱影響區域內的晶粒間結合強度。此外，由于釘扎作用，它抑制由于焊接熱循環產生的焊接熱影響區域內晶粒的粗化并且它防止再加熱開裂的形成。此外，在此耐熱鋼使用過程中，由于熱循環的作用，奧氏體晶粒長大，位錯密度降低， 鋼的強度下降，而TiN的存在，使鋼在1300°C以下使用過程中奧氏體長大變慢，位錯反應速度降低，鋼的強度降低速度變慢，使用壽命明顯提高。為了獲得這些作用，其含量至少為 0.01%是必要的。然而，Ti的過量添加導致韌性的極度降低，所以Ti含量最多0.03%本發明采用真空感應爐冶煉，澆鑄成錠后，進行鍛造或軋制熱加工，最后冷加工成成品。本發明的有益效果是(1)鋼板在添加N元素從而降低Ni元素的基礎上，還引入了新的合金元素Ti、Nb 以使得新型含氮耐熱鋼產品具有高強度、高塑性，高使用壽命，使用溫度達到1300°C。(2)鋼板不僅替代 20Cr25Ni20 鋼、06Cr25Ni20 鋼、16Cr25Ni20Si2 鋼和 YUS701 鋼使用，并使鋼板的使用壽命增加。
具體實施例下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明的含N耐熱鋼，包含成分及其百分比重量如下C0.08% 0. 15% ；Si 1·5% 3·0%;Μη 1·0% 2·0%;Ρ 0· 001 % 0· 035% ;S0. 0005% 0· 005% ;Cr 20% 24 % ;Nill % 13 % ;Μο 0· 5 % 0· 7 % ；NbO. 01 % 0. 05 % ;Ti 0. 0 % 1 0. 03 % ；N 0. 2% 0. 4%，余量為Fe和雜質。根據本發明所設計的化學成分范圍進行配料，在真空感應爐上冶煉3爐鋼。為了對比，在同設備同樣條件下還冶煉了 20Cr25Ni20鋼、06Cr25Ni20 鋼、16Cr25Ni20Si2和YUS701鋼各一爐。將7爐鋼澆鑄成錠，其具體的化學成分如表1所示。隨后軋制成30mm厚度并進行固溶處理，固溶處理后取樣分別進行室溫和高溫力學性能試驗，其結果分別列入表2至表4。表1實施例化學成分(wt % )
權利要求
1. 一種新型含氮奧氏體耐熱鋼，其特征在于，化學成分的重量百分比為c 0.08% 0. 15%;Si 1.5% 3·0%;Μη 1. 0% 2. 0%;Ρ0· 001 % 0. 035%;S 0. 0005% 0. 005%； Cr 20% 24%;Ni 11% 13%;Mo 0. 5% 0. 7% ;Nb 0. 01 % 0. 05% ;Ti 0.01% 0. 03% ；N 0.2% 0.4%，其余為Fe和不可避免的雜質。
全文摘要
本發明公開一種新型含氮奧氏體耐熱鋼，主要成分由C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、N元素所組成，其化學成分的重量百分比為C 0.08％～0.15％；Si 1.5％～3.0％；Mn 1.0％～2.0％；P0.001％～0.035％；S 0.0005％～0.005％；Cr 20％～24％；Ni 11％～13％；Mo 0.5％～0.7％；Nb 0.01％～0.05％；Ti 0.01％～0.03％；N 0.2％～0.4％，其余為Fe和雜質。本發明的有益效果是鋼板在添加N元素從而降低Ni元素的基礎上，還引入了新的合金元素Ti、Nb以使得新型含氮耐熱鋼產品具有高強度、高塑性，高使用壽命，使用溫度達到1300℃。鋼板不僅替代20Cr25Ni20鋼、06Cr25Ni20鋼、16Cr25Ni20Si2鋼和YUS701鋼使用，并使鋼板的使用壽命增加。
文檔編號C22C38/58GK102400060SQ20101027645
公開日2012年4月4日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者唐復平, 梁福鴻, 王儲, 胡昕明, 高強 申請人:鞍鋼股份有限公司